綿河水電站攔河壩改造設(shè)計(jì)方案比選

何東海

（太原市水利勘測設(shè)計(jì)院，山西 太原 030002）

1 概況

綿河是滹沱河的一級支流，屬海河流域子牙河水系，其上游分為桃河和溫河兩支，在平定縣娘子關(guān)鎮(zhèn)匯合后稱為綿河，向東出省界進(jìn)入河北省。綿河以桃河為主源，在山西省境內(nèi)河長84 km，縱坡6‰。該河為山間河流，呈蜿蜒形，因有娘子關(guān)巖溶泉的匯入，河中水量充沛，多年平均流量14.26 m3/s，其中娘子關(guān)泉水流量12 m3/s，為山西省最大的泉水。綿河在山西省的流域總面積為2 507 km2。

攔河壩位于平定縣娘子關(guān)鎮(zhèn)娘子關(guān)村綿河河道內(nèi)，為娘子關(guān)綿河水電站的引水?dāng)r河壩。綿河水電站位于娘子關(guān)村綿河右岸，為有壩引水式，取水為地表水，廠房為河床淹沒式，電站總裝機(jī)發(fā)電容量2×200 kW。電站于1987年7月竣工投入運(yùn)行，主要工程建筑包括攔河壩、引水渠、廠房、水輪機(jī)室、尾水渠、交通廊道等。水輪機(jī)室采用承壓式，發(fā)電機(jī)為立式水輪發(fā)電機(jī)。娘子關(guān)綿河水電站建成至今，運(yùn)行狀況良好，對環(huán)境無影響，屬清潔環(huán)保型電站。

2 工程現(xiàn)狀及存在問題

綿河水電站攔河壩樞紐總長66.2 m，主要包括攔河壩、排沙閘和引水閘。其中攔河壩為漿砌石重力壩，壩頂高程360.1 m，壩頂寬度1.0 m，上游邊坡1∶1，下游邊坡 1∶0.35，底寬 10 m，壩高 6.4 m，壩長 50.9 m，主要作用為壅高河道水位；排沙閘為鋼筋混凝土排架結(jié)構(gòu)，共4孔，上下各2孔，孔徑2.0 m×2.0 m，閘頂工作平臺(tái)高程362.2 m；沖沙閘底高程357.5 m，總寬度9.3 m，主要用于排泄引水閘前的泥沙；引水閘為鋼筋混凝土排架結(jié)構(gòu)，有4孔，上下各2孔，孔徑2.0 m×2.0 m，閘頂工作平臺(tái)高程362.20 m，總寬度6.0 m，主要通過引水渠向電站輸送水源進(jìn)行發(fā)電。

樞紐建成并經(jīng)多年運(yùn)行后，上游河道嚴(yán)重淤積的問題，不能滿足20年一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)，主要原因是攔河壩樞紐將河道抬高6 m左右，使河道原有宣泄泥沙的能力減弱，雖然設(shè)有排沙閘，但由于閘孔尺寸偏小，排沙能力有限。

3 改造方案

綿河水電站攔河壩樞紐改造工程為亞洲開發(fā)銀行貸款山西省小城鎮(zhèn)發(fā)展示范項(xiàng)目的一部分，結(jié)合亞行貸款項(xiàng)目的主要內(nèi)容，電站樞紐改造主要達(dá)到改善河道泥沙淤積狀況，增加上游河道蓄水水面的目的。

改造方案結(jié)合樞紐工程的實(shí)際情況，將攔河壩高程整體降至357 m，拆除排沙閘，修建長度為60.2 m的擋水建筑物，利于河道排沙；為了增加上游蓄水水面面積，將壩頂高程由360.1 m提高至362 m。因此需修建高5 m、長60.2 m的擋水建筑物。

4 方案比選

擋水建筑物采用橡膠壩方案與鋼壩閘方案。橡膠壩方案壩高5.0 m，壩袋內(nèi)壓比1.35，壩長60.2 m，跨數(shù)4跨，單跨長13.75 m，邊墩寬1.1 m，中墩寬1.0 m，采用動(dòng)力充排水；鋼壩閘方案孔口尺寸9.55 m×5.0 m（寬×高），孔數(shù)4孔，設(shè)計(jì)底板高程357 m，設(shè)計(jì)蓄水位362 m，最大啟閉水頭差5 m，采用動(dòng)水啟閉，最高擋水位5 m，邊墩寬3.65 m，中墩寬4.9 m。兩方案優(yōu)缺點(diǎn)如下：

4.1 使用壽命

鋼壩的設(shè)計(jì)使用壽命可達(dá)50～60年；根據(jù)室內(nèi)測試資料和工程實(shí)踐，初步判定橡膠壩的使用壽命為10～15年。

4.2 損壞情況

橡膠壩容易受到尖利和有尖角物體的損壞，在容易受到人為破壞或河道內(nèi)有尖角物較多的地方不宜安裝橡膠壩；鋼壩閘本身屬性決定上述情況運(yùn)用都不會(huì)受到影響，且閘門的運(yùn)轉(zhuǎn)件采用特殊復(fù)合材料，該材料在水下運(yùn)行若干年無需加潤滑油，也不會(huì)銹蝕。

4.3 運(yùn)行情況

4.3.1 運(yùn)行時(shí)間

橡膠壩是通過充氣或充水的方式來達(dá)到升壩的目的，正常需要2～3 h才能完全升壩或塌壩，時(shí)間較長。而鋼性閘門采用啟閉機(jī)啟閉，運(yùn)行速度可達(dá)1～2 m/min，一般工程不超過2 min即可完成升壩和塌壩，從而有效保證突發(fā)洪水時(shí)能及時(shí)宣泄。

4.3.2 運(yùn)行可靠性

由于橡膠蠟交聯(lián)、刺傷、管道聯(lián)結(jié)缺陷及緊固系統(tǒng)和施工質(zhì)量等原因，橡膠壩可能存在泄漏，因此要經(jīng)常性地充氣（水），否則會(huì)出現(xiàn)壩泄氣（水）自動(dòng)塌壩的現(xiàn)象，造成一定損失。而鋼壩采用機(jī)械鎖定，當(dāng)塌壩、升壩和調(diào)節(jié)水位時(shí)任意角度都可鎖定，不會(huì)發(fā)生移動(dòng)。

4.3.3 壩頂溢流

橡膠壩設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定溢流不能超過50 cm，否則會(huì)出現(xiàn)跨壩事件，而鋼壩可有效克服這一缺陷，可長時(shí)間大流量地從壩頂溢流形成瀑布效果。

4.3.4 自動(dòng)化控制

橡膠壩一般難以實(shí)現(xiàn)集中網(wǎng)絡(luò)控制，而鋼壩可以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的自動(dòng)化控制和網(wǎng)絡(luò)控制，可在全球任一互聯(lián)網(wǎng)控制。

4.4 安全可靠性分析

橡膠壩一般需建1座供氣站或水泵房，管路多且復(fù)雜，而鋼壩僅需配套2臺(tái)驅(qū)動(dòng)裝置，該驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，無須水管、泵站等附屬設(shè)施，且該驅(qū)動(dòng)裝置配備了手動(dòng)裝置，如果發(fā)生停電或其他故障時(shí)可手動(dòng)操作，操作力只需5 kg，有效保證了及時(shí)升降壩，安全性極高。

4.5 能耗對比

13 m長的橡膠壩用電負(fù)荷量最少需功率20 kW/h左右，每次升壩時(shí)間約為1～2 h；9.55 m長的鋼壩用電負(fù)荷量只需15 kW/h左右，每次升壩時(shí)間只需2～3 min，鋼壩閘比橡膠壩每年可節(jié)省相當(dāng)大的用電量。

綜合比較以上兩方案優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合該工程實(shí)際情況，擋水建筑物采用鋼壩閘方案。

5 工程設(shè)計(jì)

此次設(shè)計(jì)將原樞紐除引水閘外的其他部分拆除，底板拆至高程355.9 m左右，然后在原攔河壩樞紐處修建鋼壩閘。鋼壩閘總長60.2 m，右側(cè)為原6 m寬的引水閘段。

鋼壩閘共布置4孔，孔口寬度9.55 m，有3個(gè)中墩、2個(gè)邊墩，中墩寬4.9 m，邊墩寬3.65 m。設(shè)計(jì)閘底板高程357 m，蓄水位高程362 m，墩頂高程362.5 m。

閘底板采用C25鋼筋混凝土澆筑，底板底高程356 m，下鋪設(shè)100 mm厚的C15素混凝土墊層，底板厚1 m、長13 m。為改善閘室的抗滑穩(wěn)定，在底板上下游設(shè)置齒墻，齒墻深1 m、寬1 m。

中墩、邊墩為空箱結(jié)構(gòu)，采用C25鋼筋混凝土澆筑，中墩寬4.9 m、長13 m、高5.5 m、壁厚0.8 m；內(nèi)部寬3.3 m、長11.4 m，內(nèi)部布置2臺(tái)液壓啟閉機(jī)。邊墩寬3.65 m、長13 m、高5.5 m、壁厚0.8 m；內(nèi)部寬2.05 m、長11.4 m，內(nèi)部布置1臺(tái)液壓啟閉機(jī)。為改善閘墩上下游水流條件，同時(shí)便于施工，中墩及右側(cè)邊墩上下游端的平面形狀采用半圓形；左側(cè)邊墩緊靠山體，其上下游端的平面形狀采用1/4圓形。

在閘室上游側(cè)設(shè)1.5 m寬的工作橋，總長60.2 m，共4跨，每跨凈寬9.55 m，采用鋼筋混凝土澆筑。

6 結(jié)語

綿河水電站攔河壩改造完成后，將有效改善上游河道的淤積問題，同時(shí)增加了河道的蓄水量，對改善綿河娘子關(guān)鎮(zhèn)段河道的整體環(huán)境，滿足亞行貸款山西省小城鎮(zhèn)發(fā)展示范項(xiàng)目建設(shè)的要求起到重要作用。